大约4亿年前，脊椎动物首先开始从原始海域爬到陆地上。上周，由于采用了尖端的数学分析技术，一个全球研究团队发现了进化的关键阶段如何使这一进步成为可能。该论文于5月8日发表在“科学进展”杂志上，解读了关于这些海栖生物的鳍如何成为使干旱地区的生命变得可行的专业肢体的重要信息。

“所有动物都有手脚，手指和脚趾四肢[即四足动物]来自动物，这些动物是生活在水中的鱼鳍，”有机和进化生物学与策展人副教授Stephanie E. Pierce解释说。哈佛大学比较动物学博物馆(MCZ)的脊椎动物古生物学研究。“其中一个重大难题是，这是怎么发生的?”

皮尔斯和她的同事们与伦敦皇家兽医学院的主要作者Borja Esteve-Altava和John Hutchinson合作，提出了可以解释如何解释的新研究。尽管古生物学家已经积累了大量有关这种特殊进化变化的化石证据，但只有当团队通过一种称为解剖网络分析(AnNA)的创新技术对其进行检验时，才会出现明显的模式。AnNA于2015年创建，用于生物和生物医学研究，处理物体之间成对关系的结构。基于图论，它基本上比较了物体之间的连接和关系 - 在这种情况下，鳍和肢骨的化石残骸 - 出现了一种模式。

随着四足动物的进化，肢体结构变得更简单，更模块化。换句话说，在鳍骨往往在许多方向上广泛相互连接的情况下，四肢中的骨头倾向于端对端地连接，或者像皮尔斯所说的那样“串成一条”。“因此，一根骨头在它之前与骨头相连，而骨头在骨头之后。手指完美展示了这一点。“

然而，皮尔斯补充道，“尽管骨关节的复杂程度有所降低，但这并不意味着四肢本身并没有做有趣的事情。”

特别是，随着肢体变得更加简单，它们也变得更加模块化，每个肢体在人体中发展为上臂，前臂，手和手指。这种模块化可能允许增加专业化。例如，在人类中，它可以解释相对的拇指的发展，而同一模块单元的不同专业 - 手指 - 在蝙蝠中演变成机翼的长而轻的骨骼。

对于从相对无重力的水环境中出现的生物到更加多样化和复杂的露天景观，这种解剖学灵活性至关重要。“结构如何放在一起可能会让四足动物一旦从水中出来并进入陆地，就能适应所有新的和未开发的地面生态位，”皮尔斯说。

下一步(双关语)是要了解这些变化如何让陆基四足动物走路，这是皮尔斯目前正与其他人合作的一个问题。“我们正在建立跨越鱼类/四足动物过渡的计算机模拟模型，以了解骨骼和肌肉如何发生变化，以及对运动的影响，”皮尔斯说。她解释说，鱼的肌肉比陆地动物的肌肉要少得多。当四足动物从水中出现时，“骨骼变得简化，但肌肉组织变得更加复杂，以应对重力。”

对于MCZ第一位脊椎动物古生物学女性策展人皮尔斯而言，研究团队的构成几乎与其发现的一样具有开创性。该研究主要由欧盟的Horizon 2020研究和创新计划资助，通过Esteve-Altava的MarieSkłodowska-Curie奖学金。Esteve-Altava(现在位于西班牙巴塞罗那的进化生物学研究所)来到哈佛大学编写MCZ系列标本，其余团队 - 其中包括纽约理工学院的Julia Molnar，霍华德大学的Rui Diogo和来自奥克兰大学的Peter Johnston带来了来自世界各地的专业知识和经验。